Jupiter-Mission soll lebensfreundliche Bedingungen erkunden

Jupiter ist der grösste Planet unseres Sonnensystems – ein Gasriese, dessen Masse etwa einem Tausendstel der Masse unserer Sonne entspricht. Mit seinen über 80 Monden wirkt er fast wie ein eigenes Sonnensystem. Mit der ESA-Mission JUICE sollen unter anderem seine drei grössten Trabanten – Ganymed, Kallisto und Europa – erforscht werden. JUICE steht für Jupiter Icy Moons Explorer, also die Erforschung Jupiters eisiger Monde. Unter deren dicker Eisschicht vermuten Forschende gigantische Ozeane und damit möglicherweise ausserirdisches Leben. Nebst fundamentalen Fragen zur Entstehung von Planetensystemen will die Mission somit auch herausfinden, ob Jupiters eisige Monde die nötigen Bedingungen für die Entstehung und längerfristige Existenz von Leben, so wie wir es kennen, bieten.

Etwa acht Jahre wird die Weltraumsonde unterwegs sein, bis sie das Jupitersystem erreicht. Danach beginnt die vierjährige Mission. Dafür ist die Sonde mit elf hochkomplexen Messinstrumenten ausgerüstet. Eines davon stammt vom PSI und wurde unter der Leitung von Wojciech Hajdas im Labor für Teilchenphysik entwickelt. RADEM nennt sich das unscheinbare Kästchen, das mit seinen drei Kilogramm und seinen kompakten Massen eher an eine kleine Autobatterie als an einen hochkomplexen Teilchendetektor erinnert. Doch der Schein trügt: «RADEM steht für Radiation-hard Electron Monitor, also ein strahlungsresistenter Elektronenmonitor, der in der harschen Jupiterumgebung hochenergetische Teilchen detektieren wird», erklärt Hajdas.

Inmitten Jupiters Strahlungsgürteln

Wie die Erde besitzt auch Jupiter einen rotierenden, flüssigen Metallkern, der ein Magnetfeld erzeugt. Gelangen geladene Teilchen wie Elektronen und Protonen in dieses Feld, so werden sie darin gefangen und auf spiralförmigen Bahnen um den Planeten beschleunigt. Im Vergleich zur Erde ist diese Beschleunigung um ein Vielfaches stärker, was in hochenergetischer Synchrotronstrahlung, einer speziellen Form von Röntgenstrahlung, resultiert. Als ob dies nicht genug wäre, werden durch vulkanische Aktivitäten, wie sie beispielsweise auf Jupiters Mond Io häufig vorkommen, zusätzlich Atome und Moleküle ins All geschleudert. Durch Kollisionen mit den Elektronen werden diese ionisiert – das heisst, sie erhalten eine elektrische Ladung und geraten dadurch ebenfalls in den Bann von Jupiters gigantischem Magnetfeld.

Nicht nur für uns Menschen wären solch infernalische Strahlenbedingungen absolut tödlich – auch für unbemannte Raumsonden und deren anspruchsvolle Elektronik stellen sie eine grosse Gefahr da. «Die Elektronik wurde teilweise explizit für diese Mission entwickelt und weist eine hohe Strahlenresistenz auf. Alle Geräte in der Sonde sind zudem speziell verkleidet, damit sie der extremen Belastung in Jupiters Strahlungsgürteln standhalten können», erklärt Hajdas. «Dennoch kann ein längerer Aufenthalt in gewissen Zonen zu Schäden führen.» Um dies zu verhindern, ist RADEM direkt mit dem Bordcomputer der Sonde verbunden. «Wenn die Strahlendosis gewisse Werte überschreitet, löst der Detektor ein Alarmsignal aus. Da Ausweichmanöver nur schwer durchführbar sind, können in solchen Fällen besonders sensitive Geräte ausgeschaltet und dadurch geschützt werden, bis die Strahlungswerte wieder innerhalb der zulässigen Grenzen liegen», so Hajdas.

RADEM dient jedoch nicht nur als Alarmglocke – seine weitere Mission besteht darin, die komplexen Strahlungsgürtel von Jupiter zu kartieren und Informationen über deren Umgebung und die darin enthaltenen Teilchen zu sammeln. «Das Jupitersystem ist absolut einzigartig – es zählt zu den strahlungsintensivsten Umgebungen im ganzen Sonnensystem; ein gigantischer, natürlicher Teilchenbeschleuniger», so Hajdas. «Dies bietet nicht nur einen vertieften Einblick in die Grundlagen der Physik – Modelle der dort herrschenden Wechselwirkungen können auch auf andere Systeme wie beispielsweise Sonnenaktivitäten und deren Einfluss auf die Strahlungsgürtel und die Magnetosphäre der Erde angewandt werden.»

Für seine Mission ist RADEM mit vier separaten Detektoren ausgestattet – für jede Teilchensorte einer: Elektronen, Protonen und schwere Ionen. «Der vierte Detektor registriert entweder Elektronen oder Protonen», erklärt Hajdas. «Mit einer Winkelabdeckung von etwa 35 Prozent lässt sich damit die Einfallsrichtung dieser Teilchen und damit die räumliche Verteilung der Strahlungsumgebung bestimmen.» All diese Daten müssen dabei innerhalb kürzester Zeit verarbeitet und gespeichert werden – alles auf engstem Raum, um das Gerät so leicht wie möglich zu gestalten.

Ausserirdisches Leben unter Eis und Strahlung?

Jupiters Strahlungsgürtel reichen mehrere Millionen Kilometer weit ins All – die höchsten Teilchendichten und -geschwindigkeiten wurden dabei rund 670 000 Kilometer um den Gasriesen innerhalb der Umlaufbahn von Jupiters Eismond Europa registriert. Auf den ersten Blick scheint es somit paradox, dass man ausgerechnet einen Mond, der sich etwa 780 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt in einer solch unwirklichen und eisigen Todeszone bewegt, als potenziellen Lebensraum für ausserirdisches Leben vermutet. Während die Strahlung jegliches Leben auf Europas Oberfläche unmöglich macht, könnte sie jedoch durch Wechselwirkungen mit der Eisschicht chemische Reaktionen hervorrufen, welche als Treibstoff für Leben dienen. Die tödliche Strahlung wäre somit in der Lage, mikrobielles Leben indirekt mit Energie zu versorgen – ganz ohne Fotosynthese oder dem Vorhandensein hydrothermaler Quellen.

«Durch die gesammelten Daten früherer Missionen und aus Beobachtungen von der Erde aus existieren viele Vermutungen und Berechnungen zur Existenz von Leben auf Jupiters Monden», erklärt Hajdas. «Mit JUICE sind wir in der Lage, das komplexe Jupitersystem besser zu verstehen. Es geht nicht darum, Leben zu finden, sondern darum, die Umgebung besser zu verstehen, um vielleicht auf einen möglichen oder unmöglichen Lebensraum zu schliessen.»

RADEM überwacht auch das Weltraumwetter

Während für die achtjährige Reise ein Grossteil der JUICE-Messgeräte ausgeschaltet bleibt, hat RADEM auch unterwegs eine Mission zu erfüllen; und zwar die Vermessung der Strahlungsumgebung des Sonnensystems und deren Zusammenspiel mit der Sonnenaktivität. «Zwischen Venus und Jupiter wird RADEM die Teilchenspektren und deren Dosen im Weltraum bestimmen und damit einen wichtigen Parameter für das sogenannte Weltraumwetter in dieser Region kartieren», erklärt Hajdas. Die Sonne schleudert permanent Teilchen ins All. Diese können nicht nur zu Strahlungsschäden an Satelliten führen, sondern auch das Magnetfeld der Erde stören. Schwankungen dieser Ströme können in elektrischen Leitungsnetzen zu Überspannungen und damit zu Ausfällen führen. «Die Aktivität unserer Sonne folgt einem regelmässigen Zyklus von etwa elf Jahren – in dieser Zeit pendelt sie zwischen einer Ruhephase und einer Phase gehäufter Sonnenstürme. RADEM soll helfen, diese Aktivitäten und ihren Einfluss auf unseren Planeten und auf künftige Missionen, wie beispielsweise eine etwaige bemannte Marsmission, besser zu verstehen», erklärt Hajdas.

Anders als ähnliche Expeditionen findet deshalb die JUICE-Mission während eines sogenannten solaren Maximums statt – also einer sehr aktiven Sonnenphase. Um die Funktionalität des Detektors während dieser Reise und vor allem auch während seines Aufenthalts im Jupitergürtel zu gewährleisten, musste man ihn im Laufe seiner Entwicklung mehreren Stresstests unterziehen. «Das PSI mit seinen Grossforschungsanlagen bietet einzigartige Möglichkeiten, die Strahlenbelastung im Weltall zu imitieren», erklärt der Teilchenphysiker. «Mit der Protonenbestrahlungsanlage PIF, der Protonenbeschleuniger HIPA sowie einer speziellen Vakuumkammer für Elektronen mit niedriger Energie, konnten wir Bedingungen wie im Weltall erzeugen und RADEM bestmöglich auf seine Mission vorbereiten.» Auch andere Forschungseinrichtungen, die an der Mission beteiligt sind, wie beispielsweise die Universität Bern, welche ebenfalls zwei Detektoren für JUICE entwickelt hat, brachten ihre Geräte für die Strahlentests ans PSI.

Mit seinen renommierten Grossforschungsanlagen hat das PSI einzigartiges Wissen im Hinblick auf Entwicklung und Betrieb von Teilchendetektoren hervorgebracht – Wissen, das nicht nur in den Laboren, sondern nun auch in den Weiten des Alls auf dieser wichtigen Mission seine Anwendung findet.

Text: Paul Scherrer Institut/Benjamin A. Senn

In the middle of Jupiter's radiation belts

Like Earth, Jupiter has a rotating liquid metal core which generates a magnetic field. When charged particles such as electrons and protons enter this field, they are trapped inside it and accelerated along spiral paths around the planet. This acceleration is many times stronger than on Earth, resulting in high-energy synchrotron radiation, a special form of X-rays. On top of this, atoms and molecules are hurled into space by volcanic activity, which frequently occurs on Jupiter’s moon Io, for example. They become ionised through collisions with the electrons – that is to say they acquire an electrical charge and thus also fall under the spell of Jupiter’s gigantic magnetic field.

Such infernal radiation would be absolutely lethal, not just for human beings – they also pose a great danger to unmanned space probes and their sophisticated electronics. “Some parts of the electronics have been developed explicitly for this mission and are highly resistant to radiation. All the equipment in the probe is also specially clad to withstand the extreme conditions in Jupiter’s radiation belts,” explains Hajdas. “Nevertheless, a prolonged stay in certain zones can lead to damage.” To prevent this, RADEM is directly connected to the probe’s on-board computer. “If the radiation dose exceeds certain limits, the detector triggers an alarm signal. As it is difficult to carry out evasive manoeuvres, particularly sensitive equipment can instead be switched off in such cases, protecting it until the radiation levels are back within the permissible limits,” says Hajdas.

RADEM does not simply serve as an alarm bell, however – its other task is to map Jupiter’s complex radiation belts and gather information about their environment and the particles they contain. “The Jupiter system is completely unique – it is one of the most radiation-intensive environments in the entire solar system; a gigantic, natural particle accelerator,” says Hajdas. “Not only does this provide an in-depth look at the fundamental laws of physics – models of the interactions occurring there could also be applied to other systems, such as solar activity and how it affects Earth’s radiation belts and magnetosphere.”

For its mission, RADEM is equipped with four separate detectors – one for each type of particle: electrons, protons and heavy ions. “The fourth detector registers either electrons or protons,” explains Hajdas. “With an angular coverage of about 35 per cent, it allows us to determine the direction of incidence of these particles and hence the spatial distribution of the radiation environment.” All this data has to be processed and stored within a very short time – and inside a very small space, so as to keep the device as light as possible.

Extraterrestrial life beneath the ice and radiation?

Jupiter’s radiation belts extend several million kilometres into space – the highest particle densities and velocities around the gas giant have been recorded at a radius of around 670 000 kilometres, inside the orbit of Jupiter’s icy moon Europa. At first glance, it may seem paradoxical that a moon travelling along some 780 million kilometres from the sun in such an unreal and icy death zone, should be considered a potential habitat for extraterrestrial life. However, while the radiation makes any life on Europa’s surface impossible, it could lead to chemical reactions through interactions with the layer of ice, which would in turn serve as fuel for life. The lethal radiation would thus indirectly provide energy for microbial life – without photosynthesis or the presence of hydrothermal vents.

“The data collected during previous missions and from observations made from Earth have led to numerous speculations and calculations about the existence of life on Jupiter’s moons,” explains Hajdas. “JUICE will help us to better understand the complex Jupiter system. It’s not a matter of finding life, it’s about gaining a better understanding of the environment to determine whether it is a possible or impossible habitat for life.”

RADEM will also monitor space weather

Many of the instruments included in JUICE will remain switched off during the eight-year voyage, but RADEM has work to do during the journey too: it is to measure the radiation within the solar system and determine how it relates to solar activity. “Between Venus and Jupiter, RADEM will determine the particle spectra and their doses in space and thus map an important parameter for the so-called space weather in this region,” Hajdas explains. The sun is constantly flinging particles into space. These can not only cause radiation damage to satellites, but also disturb the Earth’s magnetic field. Fluctuations in these currents can lead to excessively high voltages in electrical power grids and thus to blackouts. “The activity of our sun follows a regular cycle of about eleven years – during this time it fluctuates between a period of quiescence and a phase of more frequent solar storms. RADEM should help us to understand these activities better, and how they influence our planet and future missions, such as a potential manned mission to Mars,” explains Hajdas.

This is why, unlike similar expeditions, the JUICE mission is being carried out during a so-called solar maximum – i.e. a period of high solar activity. To ensure the detector remains fully functional during this journey and especially during its stay in the Jupiter belt, it had to undergo several stress tests during its development. “With its large research facilities, PSI offers unique opportunities for simulating radiation exposure in space,” explains the particle physicist. “The Proton Irradiation Facility PIF, the proton accelerator HIPA and a special vacuum chamber for low-energy electrons allowed us to create conditions similar to those that exist in space and prepare RADEM for its mission in the best possible way.” Other research institutions involved in the mission, such as the University of Bern, which also developed two detectors for JUICE, brought their equipment to PSI for the beam tests too.

PSI’s renowned large research facilities have been the source of unique insights with regard to the development and operation of particle detectors – knowledge that can be applied not only in laboratories, but now also in the vastness of space on this important mission.